[논문 리뷰] Implications of Cosmological Gamma-Ray Absorption II. Modification of gamma-ray spectra

T. Kneiske, T. Bretz외 2명|ArXiv.org|2003. 09. 04.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 38인용 수 223

한 줄 요약

이 논문은 은하계 복사장(MRF) 내에서 쌍생성에 의한 우주론적 감마선 흡수를 모델링하며, 적색편이에 따라 변화하는 항성 형성 및 자외선 탈출율을 사용하여 스펙트럼 감쇠를 예측한다. 관측된 테바론 블라자 스펙트럼—특히 Mkn 501, Mkn 421 및 H1426+428에서의 스펙트럼—은 강력한 적외선 MRF 성분을 암시하며, Fazio-Stecker 관계가 고적색편이 은하 진화 및 MRF 성분을 탐색하는 데 유용한 진단 도구로 검증된다.

ABSTRACT

Bearing on the model for the time-dependent metagalactic radiation field developed in the first paper of this series, we compute the gamma-ray attenuation due to pair production in photon-photon scattering. Emphasis is on the effects of varying the star formation rate and the fraction of UV radiation assumed to escape from the star forming regions, the latter being important mainly for high-redshift sources. Conversely, we investigate how the metagalactic radiation field can be measured from the gamma-ray pair creation cutoff as a function of redshift, the Fazio-Stecker relation. For three observed TeV-blazars (Mkn501, Mkn421, H1426+428) we study the effects of gamma-ray attenuation on their spectra in detail.

연구 동기 및 목표

• 광학/자외선 성분은 정방향 진화 모델을, 적외선 성분은 역방향 진화 모델을 사용하여 시간에 따라 변화하는 은하계 복사장(MRF)을 모델링하기.
• 항성 형성률과 자외선 탈출율의 불확실성이 간성 공간 내 감마선 감쇠에 미치는 영향 평가하기.
• 관측된 감마선 절단 에너지로부터 MRF를 유추하는 방법으로서 Fazio-Stecker 관계의 타당성 테스트하기.
• 우주론적 쌍생성 흡수를 보정하여 세 개의 테바론 블라자(Mkn 501, Mkn 421, H1426+428)의 본질적 스펙트럼을 결정하기.
• 고적색편이(지수 > 0.2)에서 우주론적 파rameter와 MRF 모델 변화에 따른 감마선 흡수 민감도 평가하기.

제안 방법

• 항성 형성 역사와 자외선 탈출율에 기반한 반경험적 정방향 진화 모델을 사용하여 광학-자외선 MRF를 모델링한다.
• 깊은 은하계 조사 데이터에 기반한 역방향 진화 모델을 사용하여 먼지로 가려진 은하 기여를 제약한다.
• Klein-Nishina 공식을 사용하여 광자-광자 산란에서의 쌍생성 단면적을 계산하여 감마선 투과도를 산출한다.
• Fazio-Stecker 관계를 사용하여 관측된 감마선 절단 에너지와 MRF 열두께를 연결함으로써 간접적인 MRF 측정을 가능하게 한다.
• 현재 천문학적 우주론과 일치하기 위해 ΛCDM 값으로 우주론적 파rameter를 고정한다: Ωm = 0.3, ΩΛ = 0.7, h = 0.65.
• MRF 형태와 정규화의 불확실성을 감당하기 위해 다섯 가지 MRF 파rameter 세트(최적적합, 따뜻한-dust, 저-적외선, 저-SFR, 항성-자외선, 고-항성-자외선)를 테스트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 항성 형성률과 자외선 탈출율의 변동이 간성 공간 내 감마선 감쇠에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 관측된 테바론 블라자 스펙트럼으로부터 Fazio-Stecker 관계를 사용해 은하계 복사장(MRF)을 얼마나 잘 유추할 수 있는가?
• RQ3 Mkn 501, Mkn 421 및 H1426+428의 관측 스펙트럼은 MRF의 적외선 및 자외선 성분에 대해 어떤 제약을 가하는가?
• RQ4 고적색편이(z > 1)에서 감마선 흡수의 자외선 MRF 성분에 대한 민감도는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 Fazio-Stecker 관계를 사용하여 강화된 FIR 방출 또는 비항성 자외선 원천과 같은 표준 MRF 모델의 이탈을 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 적색편이 z > 0.2인 천체에서 감마선 감쇠는 300 GeV 이상에서 뚜렷해지며, 이는 고적색편이 테바론 감지 부족과 일치한다.
• Mkn 501과 Mkn 421에서 관측된 약 6–18 TeV에서의 스펙트럼 전환은 본질적 소스 효과가 아니라 MRF 내 우주론적 쌍생성에 기인한 것으로 일관된다.
• Fazio-Stecker 관계는 10 μm 이상 파장에서 MRF를 탐색하기 위해 z < 0.02인 소스가 필요하며, 현재 데이터는 고에너지 영역에 국한되어 있음을 보여준다.
• 고적색편이(z > 1)에서 Fazio-Stecker 관계는 적외선 광자 밀도에는 민감하지 않지만, 특히 고자외선 탈출 조건에서는 자외선 성분에 여전히 민감하다.
• 저-SFR 모델은 감마선 흡수를 감소시키지만, 현재 관측 결과는 고적색편이에서 항성 형성률이 플랫 또는 얕은 상승 추세를 보이므로, 저-SFR 가정보다 감쇠가 더 크다는 것을 시사한다.
• 50 GeV 이하의 탐지 임계값(예: MAGIC 또는 ECO-1000)이 확보된다면 Fazio-Stecker 관계의 渐近기능을 탐색할 수 있으며, MRF에 대한 더 강력한 제약 조건을 얻을 수 있다.